KR100744482B1

KR100744482B1 - 지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치

Info

Publication number: KR100744482B1
Application number: KR1020060055004A
Authority: KR
Inventors: 김용기; 배창한; 양영철; 인웅식
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-08-01

Abstract

본 발명은 지하철 변전소에서 전동차로 구동전원을 공급하기 위해 사용되는 직류모선에서 발생되는 전압변동이 회생인버터의 직류 링크전압변동을 유발하는 것을 방지할 수 있도록 하는 지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 직류모선의 일단에 차단기를 통해 연결되어 3상 전력을 발생시키는 전력변환부, 상기 차단기 후단에서 전력변환부의 입력단에 연결되는 직류 커패시터, 상기 차단기에 병렬로 연결되는 프리차지회로, 상기 직류 커패시터 양단에 연결되는 DC 링크전압 검출회로, 전력변환부의 출력단에 출력파형을 정형화하도록 연결되는 리액터, 상기 DC 링크전압 검출회로의 출력단에 연결되어 DC 링크전압의 레벨에 따라 전력변환부를 회생인버터 또는 고조파 필터/무효전력보상장치로 동작하도록 제어하는 제어기, 그리고 상기 차단기와 인버터 사이에 연결되는 역류방지용 다이오드와 직류모선 양단에 연결되어 모선전압을 검출하는 모선측 직류전압검출회로를 포함하여 이루어져 있다.

회생인버터, 링크전압, 직류 커패시터, 전압안정화장치,

Description

지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치{DEVICE FOR STABILIZING DC LINK VOLTAGE OF REGENERATIVE INVERTER FOR DC TRACTION SYSTEM}

도 1은 종래 직류모선과 회생인버터간의 구성도를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11,12 -- 직류모선, 13 -- 차단기,

14 -- 전력변환부, 15 -- 직류 커패시터,

16 -- 프리차지회로, 17 -- DC 링크전압 검출회로,

18 -- 리액터, 19 -- 제어기,

20 -- 역류방지용 다이오드, 21 -- 모선측 직류전압검출회로.

본 발명은 지하철 변전소의 회생인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지 하철 변전소에서 전동차로 구동전원을 공급하기 위해 사용되는 직류모선에서 발생되는 전압변동이 회생인버터의 직류 링크전압변동을 유발하는 것을 방지할 수 있도록 하는 지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동차에는 직류급전선로(직류모선)를 통해 DC 1,500V가 공급되며, 전동차가 제동중이거나 하강 경사로를 주행할 때 관성 에너지가 직류모선으로 전력을 회생하여 직류모선 전압을 상승시키게 된다.

직류모선으로 회생된 에너지는 같은 모선에 접속되어 있는 다른 전동차에서 소모된다. 그러나 동일모선에 접속된 주행중인 전동차에서 소비되는 양보다 많으면 직류모선의 전압은 상승하고 일정전압 이상이 되면 제동저항기가 동작하여 회생된 잉여 전기에너지가 열에너지로 소모된다.

회생인버터는 전압상승시 에너지가 열로 소모되는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것으로, 회생되는 전압으로 인해 직류모선 전압이 예컨대 1,850V 이상인 경우 인버터로 작동하여 직류모선의 잉여전력을 3상 교류전원모선으로 공급하여 전철용 변전소의 고압배전단에서 사용되어진다.

종래의 회생인버터는 에너지 절감측면으로만 사용되었지만 현재는 기술의 발전으로 직류회생전력을 교류모선으로 공급하지 않는 시간에는 교류모선 측의 고조파 제거 및 무효전력보상설비로서 동작시켜 설비의 효율성을 높이고 있다.

종래처럼 회생전력을 교류모선 측에 공급하는 측면에서는 직류모선 전압이 변동하여 인버터 내부의 직류 링크전압이 변동하여도 일정전압 이하에서는 동작을 중지하여 문제가 없었지만, 고조파 제거 및 무효전력 보상기로 사용할 때는 직류 링크전압의 변동은 제어가 복잡하여지는 문제점이 발생된다.

도 1은 종래 직류모선과 회생인버터간의 구성도를 나타내는 도면이다.

첨부도면에 도시된 바와 같이, 직류모선(11,12)의 일단에는 차단기(13)(CB; Circuit Breaker)를 통해 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate bipolar Transistor)로 구성되어 PWM방식으로 3상 전력을 발생시키는 전력변환부(14)가 연결되고, 상기 차단기(13) 후단에서 전력변환부(14)의 입력단에는 직류 커패시터(15)가 연결되어 있다. 그리고 상기 차단기(13)에는 직류 커패시터(15)에 직접 직류전원측을 연결하게 되면 과도한 충전전류로 인하여 계통전압의 강하 등의 문제점이 발생하므로 충전전류를 조정하여 서서히 직류 커패시터(15)에 충전시킬 수 있도록 하는 프리차지회로(16)가 병렬로 연결되어 있고, 상기 직류 커패시터(15)에는 DC 링크전압 검출회로(17)가 연결되어 있으며, 전력변환부(14)의 출력단에는 출력파형을 정형화하고 고주파성분을 차단하기 위한 리액터(18)가 연결되어 있는 한편, 상기 DC 링크전압 검출회로(17)의 출력단에는 제어기(19)가 연결되어 이루어져 있다.

즉, 직류모선(11,12) 측에 차단기(13)만 통하여 전력변환부(14)가 연결된 구조로서, 직류모선 전압이 일정전압 이상이 되면 전력변환부(14)가 동작하여 3상 교류전력을 발생시켜 교류모선인 3상 전원단(R,S,T)으로 전력을 공급한다. 이때 프리차지회로(16)를 통하여 우선 직류 커패시터(15)에 충전하며, DC 링크전압 검출회로(17)에 의거 직류 커패시터(15)에 일정전압 이상이 충전된 것으로 판단되면 제어 기(19)는 차단기(13)를 온상태로 접속시켜 전력변환부(14)가 회생 동작을 수행하도록 한다. 예컨대 지하철 시스템의 경우 1750V 이상에서 회생 동작을 개시하고 1650V 이하로 되는 경우는 회생 동작을 중지하도록 제어한다.

그런데 직류모선(11,12)과 회생인버터용 직류 커패시터(15)가 병렬로 접속되어 있기 때문에 직류모선(11,12) 전압과 직류 커패시터(15) 전압이 같게 되고, 직류모선의 전압변동이 직접적으로 전력변환부(14)의 직류 링크 전압에 영향을 주게 된다. 그리하여 전력변환부(14)가 교류모선의 전력품질 향상을 위하여 능동형 고조파 필터와 무효전력보상설비로 동작 시에 악영향을 미치게 되므로 제어 알고리즘이 복잡해지고, 고속의 응답속도가 필요한 고차수의 고조파 제거가 불가능하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 직류모선과 회생인버터 내부의 직류 링크전압이 병렬로 연결되어 직류모선 전압의 전압변동이 회생인버터의 직류 링크 전압변동을 유발하는 것을 방지하기 위하여, 회생인버터에서 직류모선 측과 접속되는 라인에 역류방지용 다이오드를 접속하여, 직류모선 측에서만 회생인버터의 직류 링크 라인으로 전류가 흐르게 함으로써 직류모선 전압의 전압변동과 무관하게 회생인버터가 교류모선측의 고조파 제거용 능동필터 및 무효전력보상설비로서 동작을 용이하도록 한 지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 직류모선의 일단에 차단기를 통해 연결되어 3상 전력을 발생시키는 전력변환부, 상기 차단기 후단에서 전력변환부의 입력단에 연결되는 직류 커패시터, 상기 차단기에 병렬로 연결되는 프리차지회로, 상기 직류 커패시터 양단에 연결되는 DC 링크전압 검출회로, 전력변환부의 출력단에 출력파형을 정형화하도록 연결되는 리액터, 상기 DC 링크전압 검출회로의 출력단에 연결되어 DC 링크전압의 레벨에 따라 전력변환부를 회생인버터 또는 고조파 필터/무효전력보상장치로 동작하도록 제어하는 제어기, 그리고 상기 차단기와 인버터 사이에 연결되는 역류방지용 다이오드와 직류모선 양단에 연결되어 모선전압을 검출하는 모선측 직류전압검출회로를 포함하여 이루어져 있다.

이하 예시도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

첨부도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 종래기술과 마찬가지로 직류모선(11,12)의 일단에는 차단기(13)를 통해 PWM방식으로 3상 전력을 발생시키는 전력변환부(14)가 연결되고, 상기 차단기(13) 후단에서 전력변환부(14)의 입력단에는 직류 커패시터(15)가 연결되며, 상기 차단기(13)에는 프리차지회로(16)가 병렬로 연결되어 있다. 그리고 상기 직류 커패시터(15)에는 DC 링크전압 검출회로(17)가 연결되어 있으며, 전력변환부(14)의 출력단에는 출력파형을 정형화하고 고주파성분 을 차단하기 위한 리액터(18)가 연결되어 있는 한편, 상기 DC 링크전압 검출회로(17)의 출력단에는 제어기(19)가 연결되어 이루어져 있다.

이와 더불어, 본 발명은 직류 커패시터(15)와 전력변환부(14)측에 연결되는 차단기(13)의 일단에는 직류모선(11,12)에서 전력변환부(14)로만 전류가 흐르고 전력변환부(14)에서 직류모선(11,12)측으로는 전류가 흐르지 못하도록 하는 역류방지용 다이오드(20)가 추가로 연결되어 있고, 또한 상기 차단기(13)의 전단인 직류모선(11,12)측에는 모선측의 직류전압을 검출하여 제어기(19)로 전달하는 모선측 직류전압검출회로(21)가 추가로 연결되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면, 프리차지회로(16)를 통해 직류 커패시터(15)에 프리차지가 이루어지고, 이러한 프리차지전압은 직류 커패시터(15) 양단에 걸리는 전압을 검출하는 DC 링크전압 검출회로(17)에 의해 검출되어 제어기(19)로 입력된다.

제어기(19)는 상기 프리차지전압이 사전에 설정된 프리차지전압 이상으로 충전되는 경우 차단기(13)를 온상태로 접속시켜 회생전력을 흡수 또는 고조파 필터와 무효전력보상기로서 동작준비상태로 만든다.

이후, 모선측 직류전압검출회로(21)에 의해 검출되는 직류모선전압은 제어기(19)로 전달되어 제어기(19)에서 직류모선의 전압레벨을 판단하게 되는데, 이때 직류모선 전압이 일정전압 이상이 되는 것으로 판단하면, 예컨대 직류 전동차의 경우 1650V 이상이 되면, 이 경우에는 직류 커패시터(15)와 전력변환부(14)가 회생인버터로 동작하여 내부의 DC 링크전압이 직류모선(11,12) 전압과 연동하여 변화하면 서, 3상 교류전력을 발생시켜 교류모선인 3상 전원단(R,S,T)으로 전력을 공급한다.

한편, 제어기(19)가 모선측 직류전압검출회로(21)에서 수신되는 직류모선 전압의 판단결과 직류모선(11,12) 전압이 일정치 못한 경우, 즉 1650V 이하로 떨어진 경우, 직류 전력변환부(14) 등으로 이루어지는 회생인버터를 고조파 필터 및 무효전력보상장치로 작동시키게 되고, 이때에는 교류모선측에서 직류 커패시터(15)측으로 DC 링크전압을 공급하여 직류모선측의 전압과 무관하게 일정하게 DC 링크전압을 유지시킨다.

상기한 바와 같이 본 발명은 직류모선 라인에 역류방지용 다이오드를 직렬로 접속함으로써 DC 직류모선 전압이 직류 커패시터 전압보다 낮은 경우는 회생인버터 DC 링크전압에 영향을 주지 않는 장점이 있다.

Claims

직류모선의 일단에 차단기를 통해 연결되어 3상 전력을 발생시키는 전력변환부, 상기 차단기 후단에서 전력변환부의 입력단에 연결되는 직류 커패시터, 상기 차단기에 병렬로 연결되는 프리차지회로, 상기 직류 커패시터 양단에 연결되는 DC 링크전압 검출회로, 전력변환부의 출력단에 출력파형을 정형화하도록 연결되는 리액터, 상기 DC 링크전압 검출회로의 출력단에 연결되어 DC 링크전압의 레벨에 따라 전력변환부를 회생인버터 또는 고조파 필터/무효전력보상장치로 동작하도록 제어하는 제어기, 그리고 상기 차단기와 인버터 사이에 연결되는 역류방지용 다이오드와 직류모선 양단에 연결되어 모선전압을 검출하는 모선측 직류전압검출회로를 포함하여 이루어진 지하철 변전소의 회생인버터 직류링크단 전압안정화장치.